مبادئ وخصائص مستوطني الأنبوب

1. مبادئ وخصائص مستوطني الأنابيب

وفقًا لنظرية الخزان الضحل، في حالة وجود حجم فعال ثابت لخزان الترسيب، كلما زادت مساحة سطح الخزان، زادت كفاءة الترسيب، بغض النظر عن وقت الترسيب. كلما كان الخزان ضحلًا، قل وقت الترسيب. في المستقر الأنبوبي، يتم تقسيم منطقة الترسيب إلى طبقات رقيقة بواسطة سلسلة من الصفائح أو الأنابيب المائلة المتوازية، مما يجسد مبدأ الخزان الضحل. خصائص المستوطنين الأنبوبيين ذوي الصفائح أو الأنابيب المائلة هي كما يلي:

1. الاستفادة من مبدأ التدفق الصفحي: يتدفق الماء بين الألواح أو داخل الأنابيب، حيث يكون نصف القطر الهيدروليكي صغيراً، مما يؤدي إلى انخفاض رقم رينولدز. بشكل عام، يبلغ رقم ​​رينولدز (Re) حوالي 200، مما يشير إلى التدفق الصفحي، وهو ملائم للغاية للترسيب. يبلغ عدد Froude للتدفق داخل الأنابيب حوالي 1×10⁻³ إلى 1×10⁻⁴، مما يشير إلى حالة تدفق مستقرة.

2. زيادة مساحة السطح: يتم زيادة مساحة الترسيب، مما يحسن كفاءة خزان الترسيب. ومع ذلك، نظرًا للترتيب المحدد للألواح المائلة، وظروف مدخل/مخرج المياه، وأنماط التدفق الداخلي، فإن قدرة المعالجة الفعلية لا يمكن أن تصل إلى المضاعف النظري. وتعرف نسبة كفاءة الترسيب الفعلية إلى كفاءة الترسيب النظرية بالمعامل الفعال.

3. تقصير مسافة ترسيب الجسيمات: يتم تقليل مسافة ترسيب الجسيمات، مما يؤدي إلى تقصير وقت الترسيب بشكل كبير.

4. إعادة تلبد الجسيمات: يتم إعادة تلبد الجسيمات الملبدة داخل الصفائح أو الأنابيب المائلة، مما يعزز نمو الجسيمات ويزيد من تحسين كفاءة الترسيب.

2. هيكل مستوطني الأنبوب

يشبه هيكل المستوطنين الأنبوبي أو اللوحي المائل هيكل خزانات الترسيب التقليدية، التي تشتمل على مدخل ومنطقة ترسيب ومخرج ومنطقة تجميع الحمأة. ومع ذلك، في منطقة الترسيب، يتم تثبيت العديد من الأنابيب أو الألواح المائلة. ويبين الشكل 1 الهيكل النموذجي لمستوطن الأنبوب.

في مستوطني الصفائح والأنابيب المائلة، يمكن تصنيف اتجاه تدفق الماء بالنسبة إلى الصفائح المائلة إلى ثلاثة أنواع: التدفق التصاعدي، والتدفق التنازلي، والتدفق الأفقي، كما هو موضح في الشكلين 2 و3.

1. التدفق الصاعد (التدفق المعاكس): يتدفق الماء لأعلى عبر الصفائح أو الأنابيب المائلة بينما تستقر الرواسب إلى الأسفل. اتجاهات التدفق الخاصة بهم معاكسة، وهو تكوين يشار إليه بالتدفق الصاعد أو التدفق المعاكس.

2. التدفق الهبوطي (التدفق المتزامن): يتدفق الماء إلى الأسفل عبر الصفائح أو الأنابيب المائلة في نفس اتجاه الرواسب، ويشار إليه بالتدفق الهبوطي أو التدفق المتزامن.

3. التدفق الأفقي (التدفق المتقاطع): يتدفق الماء أفقيًا عبر الصفائح، والمعروف بالتدفق الأفقي أو التدفق المتقاطع، وينطبق فقط على الصفائح المائلة.

في الوقت الحالي، تستخدم معظم محطات معالجة المياه، مثل تلك الموجودة في محطات الطاقة، التدفق التصاعدي وعادةً ما تستخدم الأنابيب المائلة كمكونات لمستوطني الأنابيب.

3. منطقة المدخل

يدخل الماء إلى خزان الترسيب أفقيا. غالبًا ما تتميز منطقة المدخل بجدران مثقوبة، أو جدران مشقوقة، أو مداخل أنبوبية مائلة ذات تدفق لأسفل لضمان توزيع موحد للمياه عبر عرض الخزان. التصميم والمتطلبات مماثلة لتلك الخاصة بخزانات الترسيب الأفقية. لتحقيق تدفق موحد من الأنابيب المائلة في أنظمة التدفق التصاعدي، من الضروري وجود ارتفاع كافٍ لمنطقة توزيع المياه أسفل الأنابيب، مما يضمن الحفاظ على سرعة الدخول بين 0.02 و0.05 م/ث.

4. زاوية ميل الصفائح والأنابيب

تسمى الزاوية بين الصفائح المائلة والمستوى الأفقي زاوية الميل (α). يؤدي وجود α الأصغر إلى انخفاض سرعة الترسيب الحرجة (u₀)، مما يحسن تأثير الترسيب. ومع ذلك، لضمان انزلاق الحمأة تلقائيًا وتفريغ الحمأة دون عائق، يجب ألا تكون α صغيرة جدًا. بالنسبة لأنظمة التدفق التصاعدي، لا يقل α عادة عن 55 درجة إلى 60 درجة. في أنظمة التدفق نحو الأسفل، حيث يكون تفريغ الحمأة أسهل، لا تقل α بشكل عام عن 30 درجة إلى 40 درجة.

5. شكل والمادة للألواح والأنابيب

لتحقيق أقصى استفادة من حجم الخزان المتاح، تم تصميم الألواح والأنابيب المائلة بأشكال هندسية مدمجة، مثل الأشكال المربعة والمستطيلة والسداسي والمموجة. لسهولة التركيب، يتم تجميع عدة أو حتى مئات من الأنابيب المائلة في وحدة واحدة، يتم تركيبها في منطقة الترسيب. يجب أن تكون المواد المستخدمة في الألواح والأنابيب المائلة خفيفة الوزن ومتينة وغير سامة وغير مكلفة. تشمل المواد الشائعة ورق قرص العسل والصفائح البلاستيكية الرقيقة. يمكن تصنيع أنابيب قرص العسل من الورق المشرب ومعالجتها بالراتنج الفينولي، وتشكل عادةً أشكالًا سداسية بقطر دائرة داخلية يبلغ 25 ملم. غالبًا ما تكون الصفائح البلاستيكية، مثل PVC الصلب بسمك 0.4 مم، مصبوبة حراريًا.

6. طول وتباعد اللوحات والأنابيب

كلما طالت الصفائح أو الأنابيب المائلة، زادت كفاءة الترسيب. ومع ذلك، فإن الألواح أو الأنابيب الطويلة للغاية تمثل تحديًا في التصنيع والتركيب، كما أن زيادة الطول تؤدي إلى انخفاض عوائد الكفاءة. إذا كانت الصفائح أو الأنابيب قصيرة جدًا، فإن نسبة منطقة انتقال المدخل (منطقة انتقال التدفق المضطرب إلى الصفحي) تزداد، مما يقلل من منطقة الترسيب الفعالة. تبلغ المنطقة الانتقالية في الأنابيب المائلة حوالي 100-200 ملم. تشير التجربة إلى أن صفائح التدفق الصاعدة يجب أن يكون طولها 0.8-1.0 متر، بحد أدنى 0.5 متر، بينما يبلغ طول صفائح التدفق الهبوطية حوالي 2.5 متر. مع سرعة تدفق مقطعية ثابتة، فإن المسافة الأصغر بين الألواح أو أقطار الأنبوب تزيد من سرعة التدفق والحمل السطحي، وبالتالي تقليل حجم الخزان. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي المسافات الصغيرة جدًا أو أقطار الأنابيب إلى صعوبات في التصنيع وانسداد. في معالجة المياه، عادة ما يكون لمستوطني التدفق التصاعدي تباعد أو قطر أنبوب يتراوح بين 50-150 مم، في حين أن صفائح التدفق الهابط لها تباعد حوالي 35 مم.

7. منطقة المخرج

لضمان تدفق موحد من الألواح أو الأنابيب المائلة، يعد ترتيب أجهزة تجميع المياه أمرًا بالغ الأهمية. وتتكون هذه الأجهزة من فروع تجميع المياه والقنوات الرئيسية. يمكن أن تشتمل فروع التجميع على أحواض مثقوبة، والسدود المثلثة، والسدود الرقيقة، والأنابيب المثقبة. يرتبط الارتفاع من مخرج الأنبوب المائل إلى فتحة التجميع (أي ارتفاع منطقة المياه الصافية) بالتباعد بين فروع التجميع ويجب أن يستوفي الصيغة التالية:

ح≥√3/2 لتر

أين:

h هو ارتفاع منطقة المياه الصافية (م)،

L هو التباعد بين فروع المجموعة (م).

عادةً، يتراوح L بين 1.2 و1.8 متر، وبالتالي فإن h يتراوح بين 1.0 و1.5 متر.

8. تسوية سرعة (u₀) من الجسيمات

وتشبه سرعة تدفق المياه بين الصفائح المائلة السرعة الأفقية في خزانات الترسيب الأفقية، وتتراوح عادة من 10 إلى 20 ملم/ثانية. عند استخدام علاج التخثر، تكون سرعة الترسيب (u₀) حوالي 0.3 إلى 0.6 مم/ث.